水力空化降解废水中有机污染物的理论与实验研究

发布时间：2020-05-31 07:25

【摘要】：制药、化工、印染等现代工业的不断发展,使得水体中人工合成的大分子有机物和难降解化学物质逐年增多,传统污水处理方法已无法满足目前日益严格的环保要求,迫切要求开发新型水处理方法和技术工艺。水力空化技术作为一种设备简单、无二次污染的高级氧化技术成为国内外学者的研究热点。本文采用理论研究与实验研究相结合的手段,针对水力空化技术应用于污水处理领域涉及的若干基础与关键科学问题进行研究,对开发我国具有自主知识产权的污水处理技术与工艺具有重要学术意义与实用价值。理论研究方面,综合考虑导热、分子和离子扩散、化学反应的影响,构建了单空泡动力学模型,对湍流作用下空化泡的动力学行为特性和泡内化学反应进行了分析,揭示了空化降解有机污染物的微观机理。从单空泡角度阐明了空化泡初始半径、上游入口压力、下游恢复压力、液体温度和孔板几何参数对空化泡动力学特征和羟基自由基产量的影响规律。在此基础上,考虑液体气核半径分布和空化事件发生率,建立了空泡群全生命周期羟基自由基产量求解模型,从操作条件和几何参数两方面对模型准确性进行了验证。通过对大量计算数据进行拟合,提出了适合污水处理领域应用的流场平均羟基自由基产量计算关联式,用于优化空化反应器结构和系统运行参数,指导空化反应器放大设计。理论研究结果表明,空化泡溃灭瞬间泡内引发了 73个可逆化学反应,生成了 26种组分。其中,在具有强氧化性的组分中,羟基自由基含量最高,它对有机污染物的氧化是空化降解的主要反应。提高流场平均羟基自由基产量的主要方法包括提高单空泡羟基自由基产量和空化事件发生率,通过选择最优上游入口压力和液体温度、提高下游恢复压力、减小孔板孔径和管道直径、增加开孔数目等手段均可提高空化降解有机污染物的能力。实验研究方面,首次提出了对冲空化射流强化有机污染物降解的创新方法,设计了对冲空化射流主反应器,并搭建了有机污染物降解实验研究平台。采用对冲空化射流与过氧化氢氧化、芬顿法、类芬顿法和光催化氧化等高级氧化方法相结合的手段,分别对单组分罗丹明B污水和多组分抗生素污水的降解过程进行了系统研究,分析了射流对冲方式、喷嘴入口压力、液体温度、液体初始pH和添加物组分浓度对有机污染物降解过程的影响,对各种高级氧化方法之间在降解有机污染物过程中的协同作用进行了定量分析和比较,提出了适合实际工业应用需求的多种高级氧化方法相结合的水处理方法。实验研究结果表明,罗丹明B降解反应过程符合一阶反应动力学特性,射流的对冲作用强化了有机物降解。单独采用对冲空化射流,最优条件下罗丹明降解率可达到71.11%。将对冲空化射流与芬顿法结合,可以实现罗丹明B的完全降解,并且该方法能够减少过氧化氢用量,降低操作成本,在能量利用率方面较其它空化装置有明显优势。采用对冲空化射流、芬顿法和光催化氧化法等多种高级氧化方法相结合的水处理系统,在最优条件下,抗生素污水的COD(Chemical Oxygen Demand,化学需氧量)去除率可达到79.92%。双喷嘴垂直时,射流对冲作用对有机物降解过程的强化作用最强。对冲空化射流、芬顿法、类芬顿法和光催化氧化等高级氧化方法在有机物降解过程中能够形成相互协同的作用。综合考虑降解率和经济性,多种高级氧化方法结合是处理多组分抗生素污水较为理想的方法。
【图文】：

几何结构图,孔板,几何结构,文丘里管

文丘里管截面积变化较缓慢，因此液体流过文丘里管后的湍流强度较低，空化强逡逑度较小。但是，文丘里管也具有压力损失小的优点。文丘里管的典型几何结构如逡逑图１．３所示。对于文丘里管，影响空化强度的主要因素是各个管段（入口段、喉逡逑部、出口段）长度、上下游锥角和喉部直径与管道直径的比值。Ｓａｈａｒａｎ等人［１Ｑ５］逡逑利用文丘里管进行了染料活性红－１２０的降解实验并进行了可视化观察，他们发现逡逑空化泡主要在文丘里管的喉部形成并在下游区域聚集，而在文丘里管的出口处大逡逑量空化泡溃灭。在局部空化状态时，活性红－１２０的降解率随着入口压力的升高而逡逑增大。当入口压力继续升高会导致空化泡的密度过大，从而形成壅塞空化。形成逡逑壅塞空化后，空化泡之间彼此相互作用，对溃灭过程起缓冲作用，空化强度大大逡逑降低，有机物降解率显著下降。逡逑１９逡逑

几何结构图,文丘里管,几何结构,空化

图１．３文丘里管的典型几何结构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｖｅｎｔｕｒｉ邋ｔｕｂｅ逡逑Ｃｈａｋｉｎａｌａ等［１（）６］在实际工业污水的降解实验研宄中用到了一种如图１．４所示逡逑的液哨式空化反应器，该反应器包含一个单孔管和阻流叶片。污水通过单孔管后，逡逑发生空化，然后以高速空化射流的形式撞击阻流叶片的边缘，导致空化泡溃灭。逡逑这种装置的主要优点是在流场中形成强烈的脉动，加速反应物混合和化学反应过逡逑程。当与芬顿法结合时，，初始ＴＯＣ（Ｔｏｔａｌ邋Ｏｒｇａｎｉｃ邋Ｃａｒｂｏｎ，总有机碳）为１４０００邋ｍｇ／Ｌ逡逑的工业污水ＴＯＣ的去除率可以达到６０％？８０°／0。逡逑｛逦ｆｔｚ逡逑单孔管阻流叶片逡逑图１．４液哨式空化发生器１１Ｄ６１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｌｉｑｕｉｄ邋ｗｈｉｓｔｌｅ邋ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ邋ｒｅａｃｔｏｒ１１０６１逡逑王西奎等ｉ0８］设计了如图Ｌ５所示的旋转射流空化装置。液体从入口进入逡逑该装置后，从四个入射点进入旋转内腔并随着内腔的旋转而高速转动，在靠近旋逡逑转轴的区域内液体压力较低，发生漩润空化（Ｖｏｒｔｅｘ邋Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）现象。随后，液逡逑体流向装置的底部并与底面碰撞，导致空化泡溃灭。采用该装置与过氧化氢氧化逡逑结合降解罗丹明Ｂ和乙醇
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】